第七章 导电高分子

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1、第七章导电高分子第一节概述20世纪七十年代初，日本的白川英树等在高催化剂浓度下合成了具有金属光泽的高顺式聚乙炔薄膜。几年后通过Heeger、MacDiamid和白川英树等众多物理学家和化学家的共同努力，发现这种聚乙炔薄膜经AsF5或I2掺杂后呈现明显的金属特性，电导率可达103S·cm-1，比未掺杂前提高了十几个数量级。苏武沛、Schrieffer和Heeger详细研究了聚乙炔的导电行为。这种实验和理论的相互推动，产生了导电高分子这门新兴科学。导电高分子的出现不仅打破了高分子仅为绝缘体的传统观念，而且它的发现和发展

2、为低维固体电子学，乃至分子电子学的建立和完善做出了重要的贡献，进而为分子电子学的建立打下基础。导电高分子具有特殊的结构和优异的物理、化学性能，使它在能源、光电子器件、信息、传感器、分子导线和分子器件，以及电磁屏蔽、金属防腐和隐身技术上有着广泛、诱人的前景。因而导电高分子不仅具有重大的理论价值，而且具有巨大的应用价值。一、材料的导电性能材料在电场作用下能产生电流是由于介质中存在能自由迁移带电质点，这种带电质点被称为载流子。载流子在电场作用下沿着电场方向定向迁移构成电流。在不同的材料中，产生的载流子是不同的。在大多数材

3、料中，常见的载流子包括自由电子、空穴、正负离子，以及其他类型的荷电微粒。载流子是物质在电场作用下产生电流的物质基础，同时，载流子的密度是衡量材料导电能力的主要参数之一，通常材料的电导率与载流子的密度成正比。假定长方体材料的截面积为S，载流子的浓度（单位体积中载流子数目）为N，每个载流子所带的电荷量为q，载流子在外加电场E作用下，沿电场方向运动速度为，则单位时间流过长方体的电流I的表达式为式（7-1）。(7-1)而载流子的迁移速度通常与外加电场强度E成正比，如式（7-2）所示。（7-2）式中比例常数35为载流子的迁移

4、率，是单位场强下载流子的迁移速度，cm2/(V·s)。电导率（S/cm）可表达为式（7-3）。（7-3）当材料中存在n种载流子时，电导率可表示为式（7-4）。（7-4）由此可见，载流子浓度和迁移率是表征材料导电性的微观物理量。材料的电导率是一个跨度很大的指标，从最好的绝缘体到导电性非常好的超导体，电导率可相差40个数量级以上。根据材料的电导率大小，通常可分为绝缘体、半导体、导体和超导体四类。一、高分子材料的导电特点在高聚物中，载流子可以是电子、空穴、也可以是正、负离子。一般来说，大多数高聚物都存在离子电导，首先是那

5、些带有强极性原子或基团的聚合物，由于本征解离，可以产生导电离子。此外，在合成、加工和使用过程中，进入高聚物材料的催化剂、各种添加剂、填料及水分和其他杂质的解离，都可以提供导电离子，特别是在没有共扼双键的电导率很低的那些非极性高聚物中，这种外来离子成了导电的主要载流子．因此这些高聚物的主要导电机理是离子电导。而许多共轭聚合物、聚合物的电荷转移络合物、聚合物的离子自由基盐络合物和金属有机聚合物等则具有很强的电子电导。例如在共轭聚合物中，分子内存在空间上一维或二维的共轭键体系，电子轨道互相交迭使电子具有类似于金属中自由电

6、子的特征，可以在共扼体系内自由运动。分子间的电子迁移则通过跳跃机理来实现。在一般高聚物中，特别是那些主要出杂质解离提供载流子的高聚物中，裁流子的浓度是很低的。尽管离子杂质浓度低到对于其它性质完全可以忽略的等级，但它对高绝缘材料电导率的影响却仍然是不可忽视的。离子电导与电子电导各有自己的许多特点，从理论上讲区别两者最好的办法是直接测出裁流子是何物，但是在大多数高聚物中由于导电性很小，直接测定是有困难的。这时可用间接的方法来区分。离子传导与电子传导的大致区别列子表7—1。35表7-1离子传导与电子传导离子传导电子传导载

7、流子离子电子或空穴活化能大（正）小（正）压力系数负正分子聚集的规则性增大减少增加物质的输送有无一、导电高分子材料的种类按照材料的结构和组成可将导电高分子分成结构型导电高分子材料和复合型导电高分子材料两大类。1复合型导电高分子材料复合型导电高分子材料是指高分子材料本身不具有导电性，但在加工成型阶段可以加入导电性填料如炭黑、金属粉末、箔等经改性后掺混于树脂中，使制品具有导电性。即是通常所见的导电橡胶、导电塑料、导电涂料、导电胶黏剂和导电薄膜等。此类高分子材料是靠填充在其中的导电粒子或纤维的紧密接触形成导电通路。由于制备

8、方便，其中很多产品已经实用化，在防静电、消除静电、电磁屏蔽、微波吸收、电器元件中的电极、按键开关、电子照相、记录材料、面状发热体、净化室墙体材料、管道等各方面获得广泛应用。2结构导电高分子材料结构型（又称本征型）导电高分子材料是利用高分子本身所“固有”的导电性，通过聚合物结构提供的离子或电子等载流子而导电。通常这类聚合物经掺杂后，电导率大幅度提高，有的可以达